AT411268B - Werkstoff mit hoher ballistischer schutzwirkung - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft die Verwendung einer per se bekannten Stahllegierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung. 



   Eine ballistische Schutzwirkung von Gegenständen, insbesondere von solchen aus flächigem Matenal, Ist im allgemeinen gekennzeichnet durch deren Sicherheit gegen einen Durchschlag von Projektilen und von Splittern bei   energiereicher Waffeneinwirkung, wobei   in steigendem Masse eine hohe Schutzwirkung und gleichzeitig verringertes Gewicht des Gegenstandes oder Teiles bel verbesserter Wirtschaftlichkeit der Bereitstellung gefordert wird. 



   Es soll eingangs die anerkannte Fachmeinung festgehalten werden, dass die üblichen mechanischen Messdaten aus einem Zug- und Kerbschlagversuch keine direkte Folgerung in Bezug auf die ballistischen Eigenschaften eines Werkstoffes zulassen. Vielfach werden dennoch die Härte, die Schlagzähigkeit und die Festigkeit des Materials dafür herangezogen, um wenigstens einen Anhalt für einen Eindringwiderstand eines Schutzeiles zu erstellen. Letztendlich kennzeichnen jedoch   die "gehaltenen Schüsse" eines Blechteiles   dessen ballistische Schutzwirkung. 



   Wird nun näherungsweise angesetzt, dass sich die Festigkeit, Härte und Zähigkeit nicht mit der Geschwindigkeit der Beanspruchung ändern, so kann davon ausgegangen werden, dass der Werkstoff der Schutzteile sowohl höchste Härte als auch grösste Zähigkeit aufweisen muss, um einer brechenden Wirkung bei ballistischer Beaufschlagung standzuhalten.

   Nun sind für Stähle und Legierungen diese Eigenschaften im Hinblick auf deren gleichzeitige Maximierung entgegengerichtet, so dass neben einer allgemeinen Verbesserung derselben eine Ausgewogenheit von   Zähigkeit   und Festigkeit des Materials, insbesondere nach einer thermischen Vergütung beanspruchungsgemäss gefordert ist
Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil wurden für Erzeugnisse mit ballistischer Schutzwirkung Kohlenstoffstähle, niedrig und mittellegierte Stähle, hochlegierte Stähle und ausscheidungshärtbare Legierungen mit gegebenenfalls einem Eisenanteil von unter 55   Gew.-%   vorgeschlagen und vielfach eine Verbundbauweise und/oder eine Hartschicht an der Aussenoberfläche des Schutzteiles als vorteilhaft erkannt. 



   Die EP 180805   A 1   offenbart beispielsweise einen Stahlhelm aus einem niedriglegierten BorStahl, wobei der Stahlhelm nach dem Vergüten sandgestrahlt wird. 



   Aus der EP 1052296 A2 ist ein Panzerblech mit Vergütungsgefüge bekannt, weiches eine Streckgrenze   von >    1100 N/mm2 sowie eine Härte   von >    400 HB besitzt und bei einem Kohlen- 
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 Mo,   1, 0   bis   2, 50 Gew. -% NI, 0, 05 bis 0, 25 Gew. -% V,   Rest Eisen aufweist. 



   Ein Verfahren zur Herstellung von dicken Panzerblechen ist aus der EP 580062   A 1   bekannt geworden, bei weichem obige, im Kohlenstoff-und Nickelgehalt erhöhte Legierung in Brammenform vorerst auf eine Temperatur von über   1150 C   erwärmt, verstärkt abkühlen gelassen und im Bereich von 1050 bis 900  C mit jeweils hohem Umformgrad auf die Enddicke gewalzt wird. 



   In der EP 731332 B1 ist eine Stahlpanzerplatte mit verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen beschneben, welche eine Vielzahl von Einschlüssen, die im wesentlichen parallel zur Plattenoberfläche orientiert und in einem Viertel bis zu drei Viertel der Plattendicke konzentriert sind, aufweist. 



   Ein Panzerblech mit einem Grundwerkstoff aus zähem Stahl, auf welchem durch Plattieren wenigstens eine harte, dem Beschuss zugewendete Stahlauflage bestehend aus 0, 60 bis 
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    0 Gew.-%2, 0 Gew.-%   Chrom, 0, 05 bis   1, 0 Gew.-%   Molybdän, 0, 05 bis 0, 35 Gew.-% Vanadin, Rest Eisen und Stahlbegleiter aufgebracht ist, offenbart die EP 247020 B1. Zwischen dem Grundwerkstoff und der Auflage ist dabei eine Zwischenlage aus Reinnickel oder Reineisen mit einer Dicke zwischen 0, 1 und 15% der Gesamtblechdicke angeordnet, welche durch Walzplattieren mit dem Grundwerkstoff und der Auflage verbunden ist.

   Die Zwischenlage erleichtert nicht nur das Plattieren des Grundwerkstoffes, sondern verhindert auch ein Abplatzen des Auflagewerkstoffes, der zwar auf eine Härte von 55 bis 60 HRC vergütbar ist, jedoch dadurch offenbar geringe Zähigkeit aufweist. 



   Neben obigen niedrig und   mitteilegierten   Vergütungsstählen wurden auch hochlegierte Chromstahllegierungen (CH 648354 A5) und ausscheidungs-bzw. martensitaushärtende Stähle (AT 336659 B, DE 19921961 C1, EP 1008659 A1) als Einzelteil oder in Verbundbauweise mit gegebenenfalls einer harten Aussenschicht für einen ballistischen Schutz vorgeschlagen. Derartige Stähle mit hohem Legierungsanteil bis 50 % sind zwar als Werkstoff für Komponenten mit hoch- 

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 wirksamen ballistischen Schutz vorteilhaft einsetzbar, haben jedoch den Nachteil hoher Kosten. 



   Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, einen Werkstoff anzugeben, aus welchem Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung bei geringem Gewicht wirtschaftlich in einfacher Weise herstellbar sind. Diese Erzeugnisse oder Teile sollen eine hohe geschossoder flugteilbrechende Wirkung besitzen, aus einer Eisenbasislegierung bestehen, durch eine abgestimmte Wärmebehandlung bzw. thermische Vergütung gewünscht einstellbare Zähigkeitsund Festigkeitseigenschaften des   Materials   haben, wobei beide Eigenschaftsmerkmale maximiert sind. Werkstofftechnisch sollen eine Verbundfertigung bzw.   Mehrschichtteilherstellung   und eine Oberflächenhärtung möglich und eine Schweissbarkeit gegeben sein. 



   Dieses Ziel wird erreicht bei einer Verwendung einer Legierung enthaltend in   Gew.-%  
Kohlenstoff (C) 0, 26 bis 0, 79
Silizium (Si) 0, 2 bis 1, 2
Mangan (Mn) 0, 2 bis 0, 9
Chrom (Cr) 1, 1 bis 7, 94
Molybdän (Mo) 0, 56 bis 3, 49
Vanadin (V) 0, 26 bis 1, 74
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Massgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0, 025 beträgt,
P + S < 0, 025 Gew.-% die Konzentration von Nickel (Ni) unter 0, 28 liegt
Ni < 0, 28 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0, 011   As-Sb+Bi+Sn+Zn+B < 0, 011 Gew.-%    als Werkstoff für die vorgenannten Erzeugnisse. 



   Die mit Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch eine Einschränkung des Gehaltes der Verunreinigungselemente S + P in Kombination auf einen Wert von kleiner als   0, 025 Gew.-%   die Voraussetzung für ein Erreichen hoher Materialzähigkeit geschaffen wird, wenn, wie gefunden wurde, gleichzeitig die weiteren Verunreinigungskomponenten As+Sb+Bi+Sn+Zn+B eine Summenkonzentration aufweisen, die geringer als   0, 011 Gew.-%   ist. Weil nun Nickel überraschend, in Wechselwirkung mit den übrigen Legierungselementen, insbesondere mit Mo und V, eine Gefahr einer Korngrenzenbelegung erhöht, ist der Ni-Gehalt auf einen Wert von unter 0, 28 Gew.-% nach oben limitiert. Diese erfindungsgemäss erreichten vorteilhaften 
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 vergütet wurden, besonders deutlich.

   Dabei hat sich auch gezeigt, dass bei Schwefelgehalten von kleiner als 0, 005 eine weitere Verbesserung der gewünschten Werkstoffeigenschaften erreicht wird. 



   Bei einer Auswahl, bei welcher ein oder mehrere   Element (e)   die Konzentration (en) in   Gew.-%   aufweist (aufweisen) :
C 0, 36 bis 0, 64, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 58
Si 0, 36 bis 0, 90, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 68
Mn 0, 36 bis 0, 70, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 59
Cr 1, 7 bis   5, 95, vorzugsweise 2, 61 bis 5, 2  
Mo 1, 05 bis 2, 9, vorzugsweise 1, 30 bis 2, 7
V 0, 36 bis 1, 25, vorzugsweise 0, 39 bis 0, 83 werden überragende Ergebnisse im Beschusstest erreicht.

   Dies ist, wie ermittelt wurde, dadurch begründet, dass in enger Abstimmung mit den weiteren Legierungselementen die jeweilige Konzentration   des (der) ausgewählten Elementes (Elemente)   die Gefügeumwandlungen beim thermischen Vergüten positiv beeinflussen, das heisst, eine Härteannahme ohne Störbereiche an den Korngrenzen begünstigen und beim Anlassen ein weitgehend homogenes Vergütungsgefüge sicherstellen. 



   Neben einer oben angeführten hohen Reinheit bzw. geringem Gehalt an Verunreinigungselementen des erfindungsgemäss verwendeten Werkstoffes wirkt sich, wie erkannt wurde, auch die 

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 Technolgie der Herstellung auf eine ballistische Schutzwirkung von daraus gefertigten Teilen aus. Herstellungstechnische Massgaben, nämlich dass der Werkstoff pfannenmetallurgisch und/oder vakuum-behandelt und/oder   vakuumer- oder umgeschmolzen   und/oder, gegebenenfalls unter Druck, elektroschlackeumgeschmolzen und/oder pulvermetallurgisch hergestellt ist, können sich einzeln und in Kombination verbessernd auf den ballistischen Schutz durch derart gefertigte Teile auswirken, weil dadurch insbesondere die Isotropie des Materials gefördert wird.

   Eine Vergütung kann dabei zu höheren Festigkeitswerten bel verbesserter Materialzähigkeit erfolgen, wodurch das Erzeugnis einen wesentliche erhöhten Widerstand gegen Durchschlag von Projektilen erfährt. 



   Wenn der Werkstoff mit der vergütungstechnischen Massgabe, dass dieser eine Festigkeit von grösser als 1800, vorzugsweise grösser als 2000, insbesondere über 2100,   N/mm2   bei einer Zähigkeit bel Raumtemperatur von grösser SEB 150 J, vorzugsweise von grösser als 185 J, insbesondere über 245 J, gemessen nach   (Stahl Eisen Prüfblatt)   SEP 1314, besitzt, sind bei geringen Legierungskosten der Erzeugnisse höchste Durchschlagwiderstände bzw.   dergleichen Festigkeit dersel-   ben erreichbar. 



   Anhand von Beispielen und von Fig. 1 soll die Erfindung näher erklärt werden, wobei Fig. 1 die Prozentzahl der gehaltenen Schüsse In Abhängigkeit von der Blechdicke wiedergibt. 



   Beispiel 1 :
Ein erfindungsgemässes Blech aus einem   ESU-Block   mit einer Blechdicke von 6, 6 mm und einer Zusammensetzung in   Gew.-%   von 0, 49 C,   0, 59 SI, 0, 3   Mn, 0, 004 S, 0, 019 P, 3, 23 Cr,   1, 37   Mo,   0, 29   V sowie 0, 19 Ni, Rest Fe und Begleitelemente (As, Sb, Bi, Sn, Zn, B) mit einer Summenkonzentration von 0, 008 wurde auf eine Härte von 56 + 1 HRC vergütet und einem Beschusstest mit 100 Schuss unterworfen, von welchen 93 Schuss gehalten wurden. Unter den gleichen Beschussbedingungen erfolgte eine Erprobung eines Bleches aus vergütetem Kohlenstoffstahl, welches   Ble-   che 57 Schuss hielt. 



   Beispiel 2 :
Ein Blech aus   Cr-Mo-V-Stahl,   welcher pfannenmetallurgisch behandelt und vakuumentgast 
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 Cr,   1, 62   Mo,   0, 32   V wurde aus einem Brammenblock auf eine Dicke von 7, 5 mm gewalzt. Aus dem Bleche wurden Proben gefertigt, selbige mit unterschiedlichen Technologien vergütet und erprobt. 



  Aus der Tabelle 1 sind die Vergütungsparameter und die erzielten mechanischen Werte ersichtlich. 



   Aus den Ergebnissen ist augenscheinlich die Wirkung unterschiedlicher Vergütungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes ersichtlich, was deutlich auf eine erfindungsgemäss leichte Einstellung von gewünschten Erzeugnisdaten hinweist. 



   Im Vergleich mit vergütetem Kohlenstoffstahl gleicher Dicke wurden Im Beschusstest vom erfindungsgemässen Blech um ca. 60% mehr Schüsse gehalten. 



   In einer weiteren Erprobung erfolgte ein Vergleich von erfindungsgemässen Blechen mit solchen aus Kohlenstoffstahl und martensitaushärtendem Stahl hinsichtlich gehaltener Schüsse. Die angegebenen bzw. in Fig. 1 eingezeichneten Werte stellen jeweils Mittelwerte von Ergebnissen aus mindestens jeweils drei Schüssen dar. 



   In Fig. 1 ist der Prozentsatz von gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Blechdicke gezeigt. Ab einer Blechdicke von 6 mm aufwärts ISt bei gleichen energetischen Bedingungen des Beschusses der Anteil an gehaltenen Schüssen aus einem erfindungsgemässen und einem aus einem martensitaushärtenden Stahl gefertigten Blech praktisch gleich. Die Wirtschaftlichkeit betref- 

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 fend ist festzustellen, dass der erfindungsgemässe Werkstoff einen Legierungsanteil von ca. 6% hat, jener des   martensitaushärtenden Stahles (Vergleichswerkstoff) 41, 5   % besitzt und somit wesentlich höhere Kosten aufweist. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verwendung einer per se bekannten Legierung enthaltend in   Gew.-%  
Kohlenstoff (C) 0, 26 bis 0, 79
Silizium (Si) 0, 2 bis 1, 2
Mangan (Mn) 0, 2 bis 0, 9
Chrom (Cr) 1, 1 bis 7, 94
Molybdän (Mo) 0, 56 bis 3, 49
Vanadin (V) 0, 26 bis 1, 74
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstech- nischen Massgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weni- ger als 0, 025 beträgt,
P+S < 0, 025 Gew.-% die Konzentration von Nickel (Ni) unter 0, 28 liegt
Ni < 0, 28 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Anti- 
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0, 011.als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung.

Claims (1)

1. 2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere Element (e) der- selben die Konzentration (en) in Gew.-% aufweist (aufweisen) : C 0, 36 bis 0, 64, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 58 Si 0, 36 bis 0, 90, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 68 Mn 0, 36 bis 0, 70, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 59 Cr 1, 7 bis 5, 95, vorzugsweise 2, 61 bis 5, 2 Mo 1, 05 bis 2, 9, vorzugsweise 1, 30 bis 2, 7 V 0, 36 bis 1, 25, vorzugsweise 0, 39 bis 0, 83 als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutwirkung